Extrinsic Bulk Photovoltaic Effect from Asymmetric Defect Scattering
यह शोध पत्र एक *ab initio* बोल्ट्ज़मैन ढांचे को प्रस्तुत करता है जो यह प्रदर्शित करता है कि मोनोलेयर GeS में असममित इलेक्ट्रॉन-दोष प्रकीर्णन (asymmetric electron-defect scattering) एक ट्यूनेबल बाह्य बल्क फोटोवोल्टिक प्रभाव उत्पन्न करता है, जो आंतरिक शिफ्ट धाराओं से एक परिमाण से अधिक हो सकता है और विशिष्ट दोष अंशों पर चरम पर होता है जो तापमान के साथ बदलते हैं।
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ठोस पदार्थों की दुनिया में, प्रकाश केवल उजाला ही नहीं करता; यह बिजली को धकेल भी सकता है। कुछ विशेष क्रिस्टल जिनमें समरूपता का केंद्र (center of symmetry) नहीं होता, उनमें प्रकाश की एक किरण चमकाने से बिना किसी बैटरी या दो अलग-अलग सामग्रियों के बीच जंक्शन के, सीधे विद्युत प्रवाह उत्पन्न किया जा सकता है। इस घटना को 'बल्क फोटोवोल्टिक प्रभाव' (bulk photovoltaic effect) के रूप में जाना जाता है, जिसे लंबे समय से स्वयं सामग्री के एक गुण के रूप में समझा गया है। वैज्ञानिकों ने दशकों तक इस बात का मानचित्रण करने में समय बिताया है कि कैसे एक क्रिस्टल की आंतरिक संरचना, विशेष रूप से जिस तरह से फोटॉन से टकराने पर उसके इलेक्ट्रॉन विस्थापित होते हैं, यह धारा उत्पन्न करती है। ये आंतरिक तंत्र कार के इंजन की तरह हैं: वे डिज़ाइन में ही निर्मित होते हैं और तब तक काम करते हैं जब तक इंजन चल रहा हो। हालाँकि, वास्तविक दुनिया की सामग्रियां कभी भी पूर्ण नहीं होतीं। उनमें दोष या खामियां होती हैं जहाँ परमाणु गायब होते हैं या दूसरे परमाणुओं से बदल दिए जाते हैं। लंबे समय तक, इन दोषों को केवल उन बाधाओं के रूप में देखा गया जो बिजली के प्रवाह को धीमा कर देती हैं, जैसे हाईवे पर गड्ढे हों। प्रचलित धारणा यह थी कि हालांकि दोष इस बात के विवरण को बदल सकते हैं कि धारा कैसे बहती है, लेकिन वे स्वयं धारा के प्राथमिक स्रोत नहीं थे।
पेंसिल्वेनिया विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस दृष्टिकोण को चुनौती दी है, और यह खुलासा किया है कि ये खामियां भी 'असममित प्रकीर्णन' (asymmetric scattering) नामक एक प्रक्रिया के माध्यम से कुल फोटोकरेंट में महत्वपूर्ण योगदान दे सकती हैं। कल्पना कीजिए कि लोगों की एक भीड़ गलियारे से गुजर रही है; यदि दीवारें पूरी तरह से चिकनी हैं, तो वे सीधे चलते हैं। लेकिन यदि दीवारों में अनियमित उभार हैं, तो लोग इस तरह से टकरा सकते हैं जो पूरी भीड़ को एक विशिष्ट दिशा में धकेल दे। इस सामग्री में, जब प्रकाश इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित करता है, तो वे दोषों से टकराते हैं। क्योंकि इस सामग्री में समरूपता का केंद्र नहीं है, इसलिए ये टकराव यादृच्छिक (random) नहीं होते; वे एक दिशा को प्राथमिकता देते हैं। यह "विषम प्रकीर्णन" (skew scattering) आवेश का एक शुद्ध प्रवाह बनाता है जो, विशिष्ट परिस्थितियों में, पूर्ण क्रिस्टल संरचना द्वारा उत्पन्न धारा से कहीं अधिक शक्तिशाली हो सकता है।
शोधकर्ताओं ने पाया कि दोषों और बिजली के बीच का संबंध केवल "अधिक बेहतर है" या "कम बेहतर है" की एक सरल कहानी नहीं है। इसके बजाय, यहाँ एक नाजुक संतुलन है। यदि किसी सामग्री में बहुत कम दोष हैं, तो इलेक्ट्रॉनों को एक विशिष्ट दिशा में धकेलने के लिए पर्याप्त टकराव नहीं होते। यदि इसमें बहुत अधिक दोष हैं, तो इलेक्ट्रॉन इतनी बार प्रकीर्णित होते हैं कि वे अपना संवेग (momentum) खो देते हैं और धारा समाप्त हो जाती है। अध्ययन ने दिखाया कि दोषों की एक विशिष्ट, इष्टतम मात्रा होती है जहाँ धारा अपने शिखर (peak) पर पहुँचती है। उनके द्वारा अध्ययन की गई सामग्री के लिए, यह 'स्वीट स्पॉट' तब होता है जब प्रत्येक एक हजार सल्फर परमाणुओं में से एक गायब होता है या बदल दिया जाता है। इस सटीक सांद्रता पर, दोष बिजली के लिए एक अत्यधिक कुशल पंप के रूप में कार्य करते हैं।
इस खोज को जो बात विशेष रूप से उल्लेखनीय बनाती है, वह है तापमान की भूमिका। शोधकर्ताओं ने सिम्युलेट किया कि क्या होता है जब सामग्री को परम शून्य (absolute zero) तक ठंडा किया जाता है। इस जमी हुई अवस्था में, परमाणुओं के तापीय कंपन, जो आमतौर पर इलेक्ट्रॉन की गति में हस्तक्षेप करते हैं, गायब हो जाते हैं। मॉडल ने भविष्यवाणी की कि इन स्थितियों में, एक निश्चित दोष अंश (defect fraction) पर, दोषों द्वारा उत्पन्न फोटोकरेंट कमरे के तापमान की तुलना में दस लाख गुना से भी अधिक शक्तिशाली हो सकता है। कम तापमान वाले चयनित दोष अंशों पर, इन खामियों द्वारा उत्पन्न धारा पूर्ण क्रिस्टल संरचना द्वारा उत्पन्न धारा से एक क्रम (order of magnitude) से भी अधिक हो सकती है। यह सुझाव देता है कि किसी सामग्री में दोषों की मात्रा केवल एक खामी नहीं है जिसे कम किया जाना चाहिए, बल्कि एक ट्यून करने योग्य पैरामीटर है जिसे ऊर्जा संचयन को अधिकतम करने के लिए समायोजित किया जा सकता है।
टीम ने दो अलग-अलग प्रकार के दोषों का परीक्षण किया: एक गायब सल्फर परमाणु और एक सल्फर परमाणु जिसे सेलेनियम परमाणु द्वारा बदल दिया गया है। दोनों प्रकार के दोषों ने इस नाटकीय प्रभाव को उत्पन्न किया, लेकिन वे अलग तरह से व्यवहार करते थे। गायब परमाणु ने बहुत कम दोष सांद्रता पर धारा का एक मजबूत शिखर बनाया, जबकि बदले हुए परमाणु को अपने शिखर तक पहुँचने के लिए उच्च सांद्रता की आवश्यकता थी। दिलचस्प बात यह है कि बदले हुए परमाणुओं के लिए, धारा की दिशा सांद्रता के आधार पर वास्तव में बदल गई, एक ऐसा सूक्ष्म अंतर जिसे केवल एक विस्तृत सिमुलेशन ही प्रकट कर सका। यह बदलने वाला व्यवहार इंगित करता है कि इलेक्ट्रॉन विभिन्न प्रकार के दोषों से कैसे टकराते हैं, इसके सूक्ष्म विवरण जटिल और प्रत्येक खामी के लिए अद्वितीय हैं।
यह कार्य केवल एक सैद्धांतिक जिज्ञासा की व्याख्या नहीं करता है; यह सौर सेल और प्रकाश सेंसरों को डिजाइन करने के बारे में सोचने का एक नया तरीका प्रदान करता है। पारंपरिक रूप से, इंजीनियर दोषों से बचने के लिए सामग्रियों को यथासंभव शुद्ध बनाने का प्रयास करते हैं। यह शोध सुझाव देता है कि कुछ अनुप्रयोगों के लिए, नियंत्रित, विशिष्ट मात्रा में दोषों को पेश करना बहुत उच्च दक्षता को अनलॉक करने की कुंजी हो सकता है। अध्ययन पुष्टि करता है कि दोषों के घनत्व और परिवेश के तापमान को सावधानीपूर्वक प्रबंधित करके, 'बल्क फोटोवोल्टिक प्रभाव' को उन स्तरों तक पहुँचाना संभव है जो पहले असंभव माने जाते थे। निष्कर्ष भविष्य के प्रयोगों के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करते हैं, जो दिखाते हैं कि बेहतर ऊर्जा रूपांतरण का मार्ग पूर्णता में नहीं, बल्कि खामियों के रणनीतिक उपयोग में निहित है।
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